นาโนเทคโนโลยีและสุขภาพ
การสัมผัสอนุภาคขนาดนาโนในมนุษย์มีมานานแล้ว โดยมีการสัมผัสจากการเผาใหม้ การสันดาป จากฝุ่น ควันและฟูมที่เกิดขึ้นในทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา แต่ในช่วงทศวรรษต่อไป จะมีการสัมผัสอนุภาคนาโนที่สร้างขึ้น (engineered NPs) มากขึ้นเป็นเป็นลำดับ NSPs เข้าสู่ร่างกายโดยทางการหายใจ การกิน ผ่านทางผิวหนังและทางการฉีดเข้าร่างกาย โดยใช้ในทางการแพทย์ แม่เหล็กชีวภาพในสมองของมนุษย์ ของสัตว์ และ โปรโตซัว เป็นอนุภาคขนาดนาโนเช่นกัน ((Blakemore 1975;Kirschvink et al. 2001;Dunn et al. 1995; Kirschvink et al. 1992;
Schultheiss-Grassi et al. 1999) ซึ่งพบว่ามีความสัมพันธ์กับโรคความเสี่อมของระบบประสาท (Dobson 2001; Hautot et al. 2003) ในการทบทวนวรรณกรรมนี้ขอใช้คำว่า Nanosized particle (NSP) เป็นคำเรียกรวมทั้งหมด ซึ่งรวมถึง engineered nanoparticles (NP) และ Ultrafine particle (UFP) ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการสันดาป การเผาใหม้ ในทางธรรมชาติและอุตสาหกรรม
ใน NSPs พื้นที่ผิวของโมเลกุลและอะตอมเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของมัน (Amato 1989) การเพิ่มพื้นที่ผิวบ่งถึงการที่ NSPs นั้นจะมีผลทางชีววิทยาต่อขนาดของมันมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า การเพิ่มปฏิกริยาทางชีวภาพนี้อาจเป็นสิ่งที่ดีก็ได้ เช่นมีฤทธิ์เป็น antioxidant มีคุณสมบัติในการรักษาโรค การนำยาผ่านเข้าไปในเซลล์ได้ง่าย หรือ มีฤทธิ์ที่ไม่ต้องการเช่นการมีพิษ การทำให้เกิด oxidative stress หรือการทำให้เซลล์ทำงานผิดปกติ ไม่เพียงแต่จะมีผลเสีย ปฏิกริยาระหว่าง NSPs กับเซลล์และระดับ subcellular รวมทั้งชีวจลนศาสตร์ของมันยังแตกต่างจากคุณสมบัติของตัวมันเองในขนาดปกติด้วย เช่นไวรัสขนาด 30-50 nm จะมีการ translocation ผ่านเซลล์ของเส้นประสาท แต่มีการค้นพบว่า การสร้าง solid particles ขนาด 20-30 ทำให้เกิดการอักเสบมากขึ้น(Ferin et al. 1990;Oberdörster et al. 1990) คุณสมบัติของ NPs สามารถใช้ในทางการแพทย์เป็นเครื่องมือในการตรวจพิเศษและเข้าใจการทำงานของเซลล์ของมนุษย์(Akerman et al. 2002; Foley et al.2002; Kreuter 2001; Li et al. 2003) อย่างไรก็ตามผลที่เป็นประโยชน์นี้ในขนาดเดียวกันในทางอุตสาหกรรมกลับเป็นโทษ ดังนั้นการประเมินความปลอดภัยของ NPs จึงถือเป็นเรื่องสำคัญในอุตสาหกรรมนี้ โดยเฉพาะเมื่อคนทำงานมีการสัมผัส การสัมผัสของมนุษย์ในสถานที่ทำงานซึ่งอาจสูงถึงหลายร้อยไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร มากกว่าที่พบในบรรยากาศ ยังไม่ทราบแน่ชัดถึงขนาดที่เป็นพิษเมื่อเข้าสู่ร่างกายในทางต่างๆ อย่างไรก็ตามแม้จะมีความเข้มข้นของสารขนาดนาโนในอากาศเพียงเล็กน้อย แต่ก็จะมีจำนวนอนุภาคเป็นจำนวนมาก(Hughes et al. 1998) การหายใจเข้าน่าจะเป็นเส้นทางสำคัญในการสัมผัส NPs การกินและการซึมผ่านผิวหนังก็อาจเป็นเส้นทางสำคัญในงานอุตสาหกรรม จากการทดลองประเมินการฝังตัวและผลของ UFPs ซึ่งได้จากห้องปฏิบัติการพบว่ามีการฝังตัวมากในระบบหายใจของคนที่แข็งแรงดี และพบมากในคนที่เป็นโรคหอบหืดหรือโรคถุงลมโป่งพอง นอกจากนี้ยังพบมีผลต่อระบบหัวใจและหลอดเลือดรวมทั้งการแข็งตัวของเลือด การอักเสบทั่วไปของหลอดเลือด และการซึมผ่าเข้าไปในปอด(Anderson et al. 1990; Brown et al. 2002; Chalupa et al. 2004; Henneberger et al., 2005; Jaques and Kim 2000; Pekkanen et al. 2002; Pietropaoli et al. 2004; Wichmann et al. 2000) การศึกษาในหลอดทดลองโดยใช้ระบบเซลล์ต่างชนิดกันพบว่ามีการเริ่มของการอักเสบและมี oxidative stress หลังจากมีการสัมผัส UFPs (Brown et al. 2000,2001; Li et al. 2003) มันยังสามารถเปลี่ยนระบบการให้สัญญานของเซลล์เช่น Ca2+ signaling และ cytokine signaling ทำให้มีการทำงานของเซลล์ผิดหน้าที่ไป
แนวคิดเรื่องพิษวิทยานาโน ส่วนใหญ่เกิดในห้องทดลอง มีตัวอย่างชัดเจนอยู่สองการทดลองได้แก่ NSPsทำให้เกิดกระบวนการอักเสบมากกว่าในขนาดใหญ่เมื่อเทียบต่อน้ำหนัก แม้ว่าจะเป็นสารเคมีชนิดเดียวกัน นอกจากนี้ NSPsที่ได้จากการประกอบอาชีพยังทำให้เกิดการบาดเจ็บของปอดอย่างรุนแรง เช่น ultrafine titanium dioxide particles เมื่อนำไปใส่ในท่อลมของหนูจะทงให้เกิดการอักเสบในปอดมากกว่า fine titamium dioxide particles เมื่อใส่ในขนาดน้ำหนักเท่ากัน อย่างไรก็ตามถ้าเปรียบพื้นที่ผิวของ particle ทั้งสองขนาดมาเปรียบเทียบการอักเสบพบว่าการอักเสบขึ้นกับพื้นที่ผิวมากกว่าน้ำหนักอย่างชัดเจน (Oberdörster G 2000). ดังนั้นการใช้พื้นที่ผิวเป็นการกำหนด dose –response เป็นการบอกของผลของพิษของอนุภาคขนาดที่หายใจเข้าไปดีกว่าใช้น้ำหนักของสารนั้น โดยเฉพาะถ้ามีขนาดต่างๆกันตั้งแต่ nano ถึง fine (Brown et al. 2001; Donaldson et al. 1998, 2002; Driscoll 1996;Oberdörster and Yu 1990; Oberdörster et al.1992a; Tran et al. 1998, 2000) คุณลักษณะทางเคมีโดยเฉพาะที่พื้นผิ วเป็นส่วนสำคัญนอกเหนือจากพื้นที่ผิว เช่นในการทดลองให้หนูสัมผัสกับฟูมของ polytetrafluoroetyhlene (PTFE) ซึ่งเป็นที่รู้กันมานานแล้วว่ามีพิษรุนแรงต่อนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมโดยเฉพาะในมนุษย์(Cavagna et al. 1961; Coleman et al. 1968; Griffith et al. 1973; Nuttall et al.1964; Waritz and Kwon 1968) การวิเคราะห์ฟูมเหล่านี้พบว่ามี NSPs ซึ่งเกิดจากการเผา PTFE ในอุณหภูมิสูง 480 c ซึ่งจะได้อนุภาคที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 18 nm ซึ่งมีพิษมากต่อหนูทำให้ตายภายในเวลา 4 ชั่วโมงภายหลังการสูดดมขนาด 50 มคก/ลูกบาศก์เมตรประมาณ 15 นาที(Oberdörster et al. 1995) มีการประมาณว่าการสัมผัสขนาดนี้ทำให้มีการสะสมในบริเวณถุงลมขนาดเล็กในคนประมาณ 60ng และทำให้เกิดการบาดเจ็บที่ปอดในรูปแบบ polymer fume fever (Auclair et al. 1983; Goldstein et al. 1987; Lee et al.1997; Williams et al. 1974; Woo et al. 2001) จากการทดลองในหนูต่อไปพบว่าในรูปแบบก๊าซของ PTFE ฟูมอย่างเดียวไม่ทำให้เกิดพิษมากนักเนื่องจากว่าถ้าฟูมมีอายุมากกว่า 3นาทีก็จะมีขนาดอนุภาคมากกว่า 100nm เนื่องจากการสะสมทำให้สูญเสียความเป็นพิษ (Johnston et al. 2000) ยังเป็นที่ถกเถียงกันว่าอาจเป็นเพราะการสูญเสียคุณสมบัติทางเคมีทื่พื้นผิวซึ่งทำให้สูญเสียความเป็นพิษด้วย ตัวอย่างทั้งสองนี้แสดงให้เห็นถึงพิษต่อปอดของ NSPs ใน titanium dioxide อนุภาคในขนาดเล็กกว่าทำให้เกิดการอักเสบได้มากกว่าขนาดที่ใหญ่ และใน PTFE ฟูมทำให้เกิดพิษอย่างมากซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับปฏิกริยาในพื้นที่ผิวที่มีมากเมื่อเปรียบเทียบกับมวลของมัน จากสมมติฐานของปฏิกริยาของเซลล์พบว่าการอักเสบและoxidative stress เป็นการเริ่มต้นกระบวนการโดยทำให้เกิดการกระตุ้นแคลเซียมและยีนส์ภายในเซลล์ สารนาโนที่สร้างขึ้นจะมีรูปร่างแตกต่างกันมากเป็นทั้งรูปแบบทรงกลม ไฟเบอร์ ท่อ วงแหวน และราบเรียบ จากการศึกษาทางพิษวิทยาพบว่ารูปทรงกลมและไฟเบอร์มีในธรรมชาติ (เช่นแอสเบสตอส) และที่มนุษย์สร้างขึ้น (เช่น biopersistene vitreous) ไฟเบอร์จะเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดพังผืดภายในปอดและมะเร็งปอดหลังจากการสัมผัสระยะเวลานาน(Greim et al. 2001; International Agency for Research on Cancer (IARC) 2002) โดยมีปัจจัยหลักๆ คือ 3D ได้แก่ dose, dimension และ durability ไฟเบอร์คือวัตถุมีลักษณะยาวโดยมีเส้นผ่าศูนย์กลาง:ความยาว เท่ากับ 1:3 หรือยาวกว่า Carbon nanotubes มี ความยาวมากกว่า 5 nm โดยมีเส้นผ่าศูนย์กลาย 0.7-1.5 nm สำหรับsinglewalled nanotubes และ 2-50 nm สำหรับ multiwalled nanotubes จากผลการศึกษาซึ่งใช้คาร์บอนนาโนทิวป์ใส่ลงในท่อลมของหนูต่างสายพันธ์มีทั้งทำให้เกิดการอักเสบของปอดอย่างเฉียบพลันซึ่งดำเนินต่อไปเรื่อย (Lam et al. 2004;Shvedova et al. 2004b) และไม่มีการดำเนินต่อ (Warheit et al. 2004) เกิดการสร้าง granulomaซึ่งเป็นปฏิกริยาแสดงว่ามีสารแปลกปลอมเข้าไปในปอด ซึ่งอาจเกิดจากการปนเปื้อนโลหะหนัก (เช่นเหล็ก)จากกระบวนการสร้างนาโนทิวป์ ถ้ามีขนาดมาก นาโนทิวป์จะรวมกลุ่มกันและทำให้ถึงตายจากการอุดกั้นหลอดลมและไม่ควรถือว่าเป็นพิษของนาโนทิวป์ (Warheit et al. 2004) singlewalled carbon naotubes (SWNTs) ทำให้เกิด oxidative stress ซึ่งเห็นชัดโดยการเกิดอนุมูลอิสระ เกิด perioxidative products และการลดลงของ antioxidants ของเซลล์ (Shvedova et al. 2004a, 2004b) Multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) จะมีฤทธิ์เป็น proinflammatory (Monteiro-Riviere et al. 2005) การทดลองล่าสุดพบว่าเมื่อเปรียบเทียบ SWNTs และ MWNTs กับ C60 fullerenes พบว่าความเป็นพิษต่อเซลล์เรียงลำดับดังนี้คือ SWNT > MWNT >C60 ในSWNTs ฤทธิ์ต่อเซลล์มีทั้งต่อหน้าที่ของ mitochondrial, รูปร่างของเซลล์, หน้าที่ป้องกันตนเองของเซลล์ ในขนาดต่ำที่ 0.38 มคก/ตรม การสัมผัสในมนุษย์จะต้องดูลักษณะของ physicochemical การเกาะกลุ่ม และ ความเข้มข้น (จำนวน น้ำหนัก และพื้นที่ผิว)
การศึกษาเกี่ยวกับพิษวิทยาในสิ่งแวดล้อมมีความยากลำบากที่จะหาสัตว์ทดลองมาใช้เป็นตัวแทน มีการทดลองโดยใช้ fullerenes (nC60) พบว่า 48-hr LC50 ใน Daphniamagna คือ 800 ppb (Oberdörster E 2004b) โดยใช้มาตรฐานของ US. EPA ใน Micropterus salmoides แม้จะไม่มีการตายเกิดขึ้นแต่ก็พบว่ามี lipid peroxidation ในสมอง และ มีการลดลงของ glutathione ในตัวของมันหลังจากสัมผัส 0.5 ppm ในเวลา 48 ชั่วโมง(Oberdörster E 2004a) มีทฤษฏีหลายอย่างที่อธิบายการทำลายของไขมันในสมองได้แก่การที่มีปฏิกริยา redox โดย fullerenes ผ่านเข้าสู่สมองทางเส้นเลือดและเส้นประสาท และละลายในเนื้อสมองซึ่งมีไขมันมาก ซึ่งจะเกิด oxyradical จากmicroglia หรือจากcytochrome P450 นอกจากนี้ในการทดลองในปลายังพบคุณสมบัติในการฆ่าเชื้อแบคทีเรียของ fullerenes และอาจใช้เป็นยาปฏิชีวนะตัวใหม่ (Yamakoshi et al. 2003) ซึ่งอนุภาคนาโนที่สร้างขึ้นและถูกปล่อยในสิ่งแวดล้อมอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกลุ่มของแบคทีเรียได้
อนุภาคนาโนเข้าสู่ร่างกายได้หลายทาง ในการทดลองกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมซึ่งเน้นที่ระบบหายใจโดยตั้งสมมติฐานว่า UFPsในอากาศทำให้เกิดผลต่อสุขภาพ อนุภาคนาโนที่สร้างโดยมนุษย์ (NPs) มีช่องทางการสัมผัสอื่นได้แก่ทางผิวหนัง ทางระบบทางเดินอาหาร
ระบบทางเดินหายใจ
NSPs เข้าไปฝังตัวในปอดจากการหายใจโดยการแทนที่โมเลกุลของอากาศ ถ้าเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่กว่าใช้วิธีตกตะกอน หรือการเข้าไปอุดในถุงลมหรือหลอดลม ในระบบหายใจนั้น NSPs ขนาด 1 nm จะฝังตัวใน nasopharyngeal compartment (90%) ใน tracheobronchial region (10%) และไม่มีการฝังตัวในบริเวณถุงลมเลย NSPs ขนาด 5 nm มีการฝังตัวใน nasopharyngeal, tracheobronchial และ ถุงลม ในปริมาณร้อยละ 30 เท่ากัน อนุภาคขนาด 20 nm มีการฝังตัวในถุงลมมากที่สุด (50%) เมื่อเข้าสู่ปอดแล้ว NSPs จะออกนอกปอดโดยวิธี transcytosis เข้าไปสู่ชั้น interstitial ของปอดแล้วเข้าตรงสู่ระบบไหลเวียนโลหิตได้เลยหรือผ่านทางระบบน้ำเหลืองและกระจายไปทั่วร่างกาย มีวิธีอื่นคือผ่านทางเส้นประสาทการรับรู้ซึ่งอยู่ในทางเดินหายใจแล้วเข้าสู่เส้นประสาทและสู่ระบบประสาทส่วนกลาง มีกระบวนการนำสารแปลกปลอมเหล่านี้ออกจากร่างกายหลายว ิธี เช่น การเคลื่อนที่ของ mucociliary ในทางเดินหายใจเพื่อนำ การใช้เซลล์มาโครฟากส์กินสิ่งแปลกปลอม การขับออกทางน้ำเหลือง เป็นต้น (Warheit et al. 1986; Warheit and Hartsky 1993) การใช้มาโครฟากส์ในการกำจัดอาจใช้เวลาถึง 700 วันในมนุษย์ ในการทดลองโดยใช้ NP TiO2 (12-250 nm) ใส่ลงไปในหลอดลมพบว่าขนาดที่มากกว่ามีพิษน้อยกว่า (Oberdörster et al. 1992a) ซึ่งอธิบายได้ว่าการใช้ขนาดที่มากกว่า (หรือพื้นที่ผิวที่มากกว่า) มีมากกว่า 50% ที่เข้าไปในชั้น interstitial และทำให้เกิดการอักเสบที่ชั้นนี้แทนที่จะเกิดการอักเสบในปอด
การเคลื่อนที่เข้าไปในกระแสเลือด
เมื่อเคลื่อนที่ผ่านถุงลมเข้าไปใน interstitial ก็จะเข้าสู่หลอดเลือดหรือระบบน้ำเหลืองได้โดยตรง มีผู้ทำการทดลองโดยนำเอาทอง (30nm) ใส่ในหลอดลม จะพบทองในเกร็ดเลือดในปอดภายในเวลา 30 นาที และยังให้ข้อสังเกตุว่าอาจทำให้เกิดก้อน platelet และเกิด plaques ในเส้นเลือดได้ (Berry et al. 1977) หลังจากนั้นก็มีการทดลองในลักษณะนี้ออกมามาก และสรุปได้ว่าขนาดและคุณสมบัติทางเคมีที่พื้นผิว ประจุ เป็นปัจจัยสำคัญในการผ่านเข้าชั้นของเซลล์ (Mehta et al. (2004) , Heckel et al. (2004) ผลต่อระบบหัวใจและหลอดเลือดอาจเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงในการแข็งตัวของเลือด (Seaton et al. 1995) เมื่อเข้าสู่ร่างกายแล้ว NSPs ก็จะกระจายไปทั่วร่างกาย โดยเข้าสู่ตับ ม้าม และ ระบบ reticuloendothelial มีรายงานการกระจยาไปสู่หัวใจ ไต และอวัยวะที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกันเช่นม้าม ไขกระดูก มีรายงานการผ่านเข้าสมอง ซึ่งใช้เป็นคุณสมบัติในการรักษาโรคทางการแพทย์(Kreuter 2001, 2004; Kreuter et al. 2002)
การผ่านเข้าระบบประสาท
มีการค้นพบการเข้าสู่ระบบประสาทมามากกว่า 60 ปีแล้ว แต่ไม่ได้รับความสนใจจากนักพิษวิทยา ในจมูกและ tracheobronchial จะมีประสาทรับความรู้สึกจากเส้นประสาทสมอง olfactory และ trigerminal มาก มีการทดลองใช้ไวรัสโปลิโอขนาด 30nm ใส่ลงในจมูกของลิง (Bodian and Howe 1941a, 1941b; Howe and Bodian 1940) พบว่าเชื้อสามารถเข้าไปตามเส้นประสาทความรู้สึก สู่เส้นประสาทสมอง และสมองได้ มีการประมาณว่าเชื้อเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 2.4 mm/hr หลังจากนั้นมีการทดลองคล้ายแบบเดียวกันและพิสูจน์ได้ว่าอนุภาคขนาดนาโนสามารถเข้าสู่สมองโดยผ่านทางเส้นประสาทโดยตรงได้ (Oberdörster et al. 2004, Feikert et al. 2004)
การสัมผัสทางระบบทางเดินอาหารและผิวหนัง
การกำจัดอนุภาคนาโนที่หายใจเข้าไปทางระบบ mucociliary ในท่อลม ซึ่งจะดันออกมาเป็นเสมหะและจะถูกกลืนเข้าไปในระบบทางเดินอาหาร หรืออาจมีกลืนสารนาโนเข้าไปโดยตรง เช่นที่ติดมากับอาหาร เครื่องสำอางค์ หรือยา มีการวิจัยเล็กน้อยที่ศึกษาเส้นทางของอนุภาคนาโนในระบบทางเดินอาหาร เมื่อเข้าสู่ทางเดินอาหารในหนูทดลองจะถูกกำจัดออกอย่างรวดเร็วทางอุจจาระภายในสองวัน ที่เหลือออกทางปัสสาวะซึ่งบ่งว่ามีการเข้าสู่กระแสเลือดได้(Yamago et al. 1995) นอกจากนี้ยังมีการสะสมในตับด้วย การสัมผัสทางผิวหนังถือเป็นเส้นทางสำคัญอีกเส้นทางหนึ่ง Tinkle et al (2003) ให้สมมติฐานว่าเมื่อผิวหนังมีรอยย่น เช่นจากการงอข้อมือจะทำให้ NSPs สามารถเข้าสู่ร่างกายทางผิวหนังได้ ใต้ผิวหนังจะมีเส้นเลือดและเส้นประสาทอยู่เป็นจำนวนมาก
ความเห็น (1)
สวัสดีค่ะ
ครูอ้อยจะอ่านต่อไปนะคะ น่าสนใจมากค่ะ เป็นกำลังใจให้นะคะ